科学家以单细胞分辨率绘制了整个人类肠道

聚会吃火锅，你的肠胃可能会不舒服，但你的朋友可以随便吃。不过，你吃布洛芬时可能没有任何副作用，但你朋友的腹部可能会出血，而且无法缓解疼痛。这是为什么呢？答案很简单，因为我们的肠道都是不同的。那么，它们到底有什么不同，这些差异对健康和疾病来说意味着什么？近日，北卡罗来纳大学教堂山分校Scott Magness博士的实验室揭开了一些有趣的科学答案。

Magness的实验室首次使用三名器官捐赠者的整个人类肠道，以展示肠道所有区域的细胞类型有何不同，并阐明各种细胞功能，显示这些细胞之间和个体之间的基因表达差异。

这项研究近日发表在《Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology》杂志上。与以往的研究相比，它具有更高的分辨率，为精确探索肠道健康的多个方面打开了大门。

Magness博士表示：“我们的结果表明，了解每种细胞类型在重要过程中的功能是可行的，比如营养吸收、防止寄生虫以及调节饮食行为和肠道运动的粘液和激素的产生。我们还了解肠道内壁如何通过受体和传感器与环境相互作用，以及药物如何与不同类型的细胞相互作用。”他是本文的通讯作者。

敏感的肠道

回忆一下药品说明书上的典型副作用：腹泻、呕吐、肠道出血等。Magness领导的团队正试图从单细胞的水平了解这些副作用为什么会发生。他们深入探究了肠道细胞功能、位置和基因。

在这项研究中，研究人员重点关注了上皮细胞：这是一层厚厚的单细胞，它将肠道和结肠内部与其他东西分隔开。与其他细胞群和微生物群一样，上皮细胞对人类健康也非常重要。不过到目前为止，研究人员只能从消化道的几个有限部位取米粒大小的组织进行活检。

Magness打了个比方，“这种探索就像从太空上观察美国，但只能看到马萨诸塞州、俄克拉何马州和加利福尼亚州的情况。为了真正了解这个国家，我们希望看到一切。”他实验室中的两名成员Joseph Burclaff博士和Jarrett Bliton是文章的共同第一作者。

Burclaff说：“我们不仅想要确定细胞的位置，而且想确切地知道哪些细胞类型在做什么，以及为什么。继续以地图来打比方，我们不仅想知道，‘哦，这是北卡罗来纳州’。我们还想知道哪里可以吃到最好的烧烤。我们希望尽可能多地了解情况。”

在过去，研究人员会将米粒大小的活检组织混在一起，以识别所有上皮细胞类型，并了解这些细胞的某些普遍特征。Magness的团队则是从下消化道（小肠和结肠）的每个部分采样数千个单细胞，以创建一个图谱，然后通过每个细胞表达的基因来研究这些细胞的潜在作用。

为了实现如此深度的单细胞分析，Magness需要两样东西：先进的技术和完整的人类肠道。

生物学数据

北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员在几年前就开发出先进的RNA测序技术。Magness 的团队还与器官捐赠服务机构HonorBridge签订了研究协议，并获得了人体肠道。

Magnness实验室在样本采集后6到8小时收到了完整的肠道，每条肠道长约15到30英尺。他们分离出上皮细胞层。然后，研究人员使用酶将上皮细胞分解成单个细胞。在这项研究中，他们对三名不同捐赠者的器官重复了这一过程。

研究团队利用单细胞RNA测序技术（scRNA-seq）来鉴定基因表达特征。他们利用10x Genomics的Chromium单细胞基因表达技术来制备cDNA文库，然后在Illumina的NextSeq 500系统上开展测序。这种方法获得了每个肠道细胞表达哪些基因及表达量多少的快照。

“我们从每个细胞中获得的图像是这些细胞产生的所有不同基因的混合体，这些基因互补产生了一个‘签名’，告诉我们它是什么类型的细胞，以及它可能在做什么，”Magness谈道。“它是干细胞、黏液细胞、分泌激素的细胞还是免疫信号细胞？”

Burclaff补充说，“我们能够看到整条消化道中细胞类型的差异，我们可以看到三个不同的人在相同细胞类型上的不同基因表达水平。我们发现不同亚组的基因在单个细胞中开启或关闭。于是，我们开始理解为什么某些食物或药物对有些人产生毒性，而对其他人没有。”

这类研究的一个主要问题是产生的数据量很大。每个细胞的单细胞测序可以产生大约11,000条读数，若考虑到开启和关闭，每个细胞就有20,000多个人类基因的不同组合。这项研究中的12,590个细胞创造了近1.4亿个数据点，这些数据点必须以可视化形式出现，这样科学家才能理解大量的信息。

研究生Bliton开发出计算方法来过滤数据，以生成一个可管理的数据集，其中包括胃肠道各个区域的细胞群。然后，根据Magness及其他研究人员对每种细胞类型的了解，Bliton可以通过计算鉴定出每个区域的每种细胞类型。然后他以通俗易懂的方式绘制了这些数据。

在掌握了大量的数据后，科学家对每种细胞类型有了更深入的了解。想想40年前发现的簇状细胞（tuft cell），之所以这样命名，是因为它们的表面似乎有一簇毛发。结果发现，这些簇状细胞表达的基因与舌头味蕾上的基因相似。

之前的研究发现，这些簇状细胞感知蠕虫感染，并向免疫系统发送信号。Magnness的实验室显示，簇状细胞表现出一组对感知其他的肠道组分重要的基因，因此在需要时它可以向免疫系统发出信号。这代表了一个更广泛的功能，而不仅仅是感知你的肠道是否有寄生虫。

“我们不仅描述了每一种细胞类型和它们单独表达的每一个基因，而且还研究了潜在的功能，”Burclaff说。“对于肠道黏液这种保护细胞的复杂混合物，我们可以显示哪些细胞表达了各种粘蛋白、表达量多少，以及在消化道的哪个区域。我们还研究了消化食物的特定酶在哪里表达。”

此外，研究人员还探索了上皮受体——这些细胞表面蛋白与其他细胞和分子以及肠道环境进行交流。他们可以观察到哪些受体表达得最多，在哪些细胞类型中表达得最多，从而有助于描绘细胞如何与肠道组分（如营养物质、微生物、毒素和药物）相互作用。

Bliton表示：“我们可以观察每种细胞类型，并预测哪种药物会单独影响哪种细胞。”例如，有一类药物可以治疗炎症性肠病；它们的目标是某些触发炎症的免疫细胞。但研究人员发现，一些上皮细胞表达的基因与免疫细胞相同。因此，上皮细胞可能“不幸躺枪”，导致副作用出现。

“许多药物对胃肠道有不良的副作用。这可能是因为药物影响了整个胃肠道中的单个细胞。我们展示了这些受体在哪些细胞类型中表达得最多。”Burclaff补充说。

这些仅仅是Magness实验室的初步研究结果。“我们希望科学界、医学界和制药界都来使用我们的成果，”他说。“我们采用的分析方法能有条不紊地处理每种细胞类型，并生成大多数人可轻松阅读和访问的电子表格，并展示了几个例子，说明我们可以通过这种高分辨率的方法来发现什么。”

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Joseph Burclaff, R. Jarrett Bliton, et al. A proximal-to-distal survey of healthy adult human small intestine and colon epithelium by single-cell transcriptomics. Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology, 2022; DOI: 10.1016/j.jcmgh.2022.02.007